一种具有嵌入式叶片的燃气轮机的制作方法

本发明涉及推进器技术领域，尤其是一种具有嵌入式叶片的燃气轮机。

背景技术：

燃气轮机在航空和电力等行业有广泛应用。工业燃气轮机要求效率高、运行稳定安全；航空燃气轮机作为飞机的心脏，在飞机的研制过程中占有很重要的地位，现代飞机技战术指标的不断提高，对航空发动机提出了更高的要求：要求发动机具有高推重比、高效率、大流量、低耗油率和宽广的稳定工作范围。压气机和涡轮是燃气轮机两大核心部件，传统的设计方式有轴流式和离心式。轴流式压气机优点是流量大，缺点是单级压比小，因而需采用多级轴流压气机设计来提高压比，造成了制造成本高、结构复杂、装置重量的不良后果；离心压气机的优点是单级压比高，缺点是通流面积小、流量小。因而本领域迫切需要克服传统压气机的缺点，满足现代燃气轮机的新要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明提出了一种具有嵌入式叶片的燃气轮机，压气机单级压比高、涡轮单级作功能力大、整机效率高。

(二)技术方案

本发明提供了一种具有嵌入式叶片的燃气轮机，包括：机匣组件、轮毂和燃烧室；其中，所述机匣组件包括：同轴设置的机匣和支撑圆筒；所述轮毂同轴设置于机匣内部，所述轮毂可相对机匣旋转；在轮毂的靠近压气机进气口一侧设置有压气机动叶，在机匣的与压气机动叶对应位置设置有压气机静叶；在轮毂的靠近涡轮出气口一侧设置有涡轮动叶，在机匣的与涡轮动叶对应位置设置有涡轮静叶；所述燃烧室为环形燃烧室，固定于所述机匣外周；空气由压气机进气口进入后折转为径向流动，轮毂带动压气机动叶旋转，在压气机动叶和压气机静叶的作用下，径向流动的空气减速扩压，进入燃烧室与燃料混合燃烧生成高温高压燃气，高温高压燃气流经涡轮静叶和涡轮动叶增速做功，推动涡轮动叶旋转并带动轮毂旋转，由涡轮出气口排出。

优选地，所述压气机动叶和压气机静叶均为嵌入式叶片。

优选地，所述压气机动叶包括沿轮毂周向均匀排列的多个动叶片，所述压气机静叶包括沿机匣周向均匀排列的多个静叶片；动叶片和静叶片分别嵌入到轮毂和机匣，动叶片两端均与轮毂固定，静叶片两端均与机匣固定。

优选地，所述动叶片和经叶片的数量相同。

优选地，所述涡轮动叶和涡轮静叶均为嵌入式叶片。

优选地，涡轮动叶包括沿轮毂周向均匀排列的多个动叶片，涡轮静叶包括沿机匣周向均匀排列的多个静叶片；动叶片和静叶片分别嵌入到轮毂和机匣，动叶片两端均与轮毂固定，静叶片两端均与机匣固定。

优选地，所述动叶片和经叶片的数量相同。

优选地，所述机匣的进气端和排气端各有一组机匣支撑杆，用于支撑机匣和支撑圆筒，每组机匣支撑杆包括多块沿径向延伸的支撑杆。

优选地，所述轮毂的进气端和排气端各设置有一轴承，通过所述轴承，轮毂可相对机匣旋转。

优选地，燃烧室包括燃烧室入口、燃烧室出口和多个插入燃烧室的燃料管；燃烧室入口与压气机动叶和压气机静叶位置对应，燃烧室出口与涡轮动叶和涡轮静叶位置对应。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的具有嵌入式叶片的燃气轮机具有以下有益效果：

(1)在压气机动叶和压气机静叶构成的通道中，气体沿半径方向朝半径增大的方向流动，在涡轮动叶和涡轮静叶构成的通道中，气体沿半径方向朝半径减小的方向流动。由于沿半径增大方向，周向截面面积增大，使得气体减速扩压；反之，沿半径减小方向，周向截面面积减小，使得气体增速做功，相比于轴流式压气机，其单级压比高、结构简单、体积小，重量轻、成本低；相比于离心式压气机，其通流面积大、流量大，从而提高了压气机和涡轮的性能；

(2)压气机叶片和涡轮叶片两端均固定，可以消除泄漏流动，提高了压气机和涡轮的效率；

(3)压气机叶片和涡轮叶片两端均固定，改善了叶片上的应力分布，可以采用比悬臂式叶片尺寸大的叶片，提高了压气机单级压比、提高了涡轮单级作功能力，而且减轻了叶片的重量。

附图说明

图1为本发明实施例的具有嵌入式叶片的燃气轮机的三维示意图；

图2为本发明实施例的具有嵌入式叶片的燃气轮机的半剖示意图；

图3为图1略去燃烧室的三维示意图；

图4为本发明实施例的具有嵌入式叶片的燃气轮机的气流走向示意图。

符号说明

1-压气机动叶；2-压气机静叶；3-涡轮动叶；4-涡轮静叶；5-燃烧室；6-燃烧室入口；7-燃烧室出口；8-轮毂；9-机匣；10-支撑圆筒；11-压气机进气口；12-机匣支撑杆；13-轴承；14-涡轮出气口；15-燃料管；16-轴承支撑杆。

具体实施方式

本发明提出了一种具有嵌入式叶片的燃气轮机，其压气机采用轴向进气、径向流动增压；其涡轮采用径向流动作功、轴向排气的气动布局方式；其燃烧室为环形结构，布置在机匣外围。本发明的燃气轮机，其嵌入式叶片的两端均进行固定，可以增大叶片的强度，可以采用尺寸更大的叶片，压气机单级压比高、涡轮单级作功能力大、整机效率高。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种具有嵌入式叶片的燃气轮机，该燃气轮机将压气机、燃烧室和涡轮集成为一体，包括：机匣组件、轮毂8和燃烧室5；其中，

机匣组件包括：机匣9、支撑圆筒10和机匣支撑杆12。支撑圆筒10为中空结构，其内部为气流通道，机匣9与支撑圆筒10同轴设置，在机匣9的进气端和排气端各有一组机匣支撑杆12固定支撑机匣9和支撑圆筒10，每组机匣支撑杆12包括多块沿径向延伸的支撑杆，支撑杆的一端连接机匣9内壁，另一端连接支撑圆筒10外壁。

轮毂8同轴设置于机匣9内部，在轮毂8的进气端和排气端各设置有一轴承13，轴承13外周固定于机匣9内壁，轴承13内周通过轴承支撑杆16固定于支撑圆筒10，通过所述轴承13使轮毂8可相对机匣9旋转。

支撑圆筒的靠近压气机进气口11一侧、且较轴承支撑杆16更靠近其轴线中点的位置设置有环形盘体和圆形盘体，环形盘体和圆形盘体平行设置且垂直于支撑圆筒10的轴线，二者形成一气流腔体，通过支撑圆筒的气流通道与支撑圆筒的压气机进气口11连通。

在轮毂的与气流腔体对应位置设置有压气机动叶1，在机匣的与气流腔体对应位置设置有压气机静叶2，压气机动叶1包括沿轮毂8周向均匀排列的多个动叶片，压气机静叶2包括沿机匣9周向均匀排列的多个静叶片。压气机动叶1和压气机静叶2均为嵌入式叶片，即动叶片和静叶片分别嵌入到轮毂8和机匣9上，动叶片两端均与轮毂8固定，静叶片两端均与机匣9固定，相邻动叶片之间、以及相邻静叶片之间形成通道，动叶片和经叶片的数量可以根据情况设置，二者可以相同也可以不同。

在轮毂的靠近涡轮出气口14一侧、且较轴承支撑杆16更靠近其轴线中点的位置设置有涡轮动叶3，在机匣的与涡轮动叶对应位置设置有涡轮静叶4，涡轮动叶3包括沿轮毂8周向均匀排列的多个动叶片，涡轮静叶4包括沿机匣9周向均匀排列的多个静叶片。涡轮动叶3和涡轮静叶4均为嵌入式叶片，即动叶片和静叶片分别嵌入到轮毂8和机匣9上，动叶片两端均与轮毂8固定，静叶片两端均与机匣9固定，相邻动叶片之间、以及相邻静叶片之间形成通道，动叶片和经叶片的数量可以根据情况设置，二者可以相同也可以不同。

燃烧室5为环形燃烧室，固定于机匣9外周，燃烧室入口6与压气机动叶1和压气机静叶2位置对应，燃烧室出口7与涡轮动叶3和涡轮静叶4位置对应，并包括多个插入燃烧室5的燃料管15。

本发明的具有嵌入式叶片的燃气轮机，空气由压气机进气口11进入燃气轮机，并沿轴向经支撑圆筒10内部的气流通道流入气流腔体，在气流腔体中折转为径向流动并流向压气机动叶1，轮毂8带动压气机动叶1旋转，径向流动的空气在压气机动叶1的作用下继续沿径向流动，流经压气机静叶2后空气减速扩压，形成高压空气，并由燃烧室进口6进入燃烧室5，燃料由燃料管15进入燃烧室5与高压空气混合后燃烧生成高温高压燃气，高温高压燃气由燃烧室出口7排出后依次流经涡轮静叶4和涡轮动叶3增速做功，推动涡轮动叶3旋转，并带动轮毂8旋转，做功后的燃气折转为轴向流动并由涡轮出气口14排出。

本发明的具有嵌入式叶片的燃气轮机，在压气机动叶和压气机静叶构成的通道中，气体沿半径方向朝半径增大的方向流动，在涡轮动叶和涡轮静叶构成的通道中，气体沿半径方向朝半径减小的方向流动。压气机和涡轮采用这种气动布局的益处是：由于沿半径增大方向，周向截面面积增大，使得气体减速扩压；反之，沿半径减小方向，周向截面面积减小，使得气体增速做功，相比于轴流式压气机，其单级压比高、结构简单、体积小，重量轻、成本低；相比于离心式压气机，其通流面积大、流量大，从而提高了压气机和涡轮的性能。

进一步地，传统的压气机和涡轮，不论是轴流形式还是离心形式，其叶片均采用悬臂式叶片，即只有叶片的一端固定在机匣或轮毂(轮盘)上，叶片没有固定的一端有泄漏流动，增大了流动损失。本发明的压气机叶片和涡轮叶片两端均固定，可以消除泄漏流动，有利于提高效率。传统的悬臂式叶片，叶片根部受到的应力很大，为了防止叶片根部断裂，一方面叶片尺寸不能过大，另一方面要增大叶片根部厚度，这样带来的弊病是：压气机单级压比小、涡轮单级作功能力小而且还增大了叶片重量。由于本发明的压气机叶片和涡轮叶片两端均固定，改善了叶片上的应力分布，可以采用比悬臂式叶片尺寸大的叶片，提高了压气机单级压比、提高了涡轮单级作功能力，而且减轻了叶片的重量。

在本发明中，可以将机匣9固定，只有轮毂8相对于机匣9旋转；为了增加压气机的加压能力，也可以不固定机匣9，使机匣9与轮毂8反方向旋转，这样可以带动压气机静叶旋转，形成压气机动叶和静叶的对转，从而增加压气机的加压能力、提高压气机的效率。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(2)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(3)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。